Przeskocz do treści

Delta mi!

Aktualności (nie tylko) fizyczne

Czym są diamenty?

Piotr Zalewski

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: kwiecień 2012
  • Publikacja elektroniczna: 01-04-2012

Najlepszymi przyjaciółmi dziewczyny, jak śpiewała Marilyn Monroe. Okazuje się, że mogą być równie bezcenne dla fizyków. Klejnociki te umożliwiły zbudowanie kwantowej pamięci oraz pozwoliły na splątanie drgań w dwóch kryształach znajdujących się w makroskopowej odległości.

Oba te efekty kwantowe zostały zaobserwowane w temperaturze pokojowej. Było to możliwe dzięki przysłowiowej twardości diamentu, związanej ze sztywnością jego struktury. Okazuje się, że można w krysztale diamentu wzbudzić wibrację polegającą na wzajemnym przemieszczaniu się dwóch jego podsiatek, obejmującą praktycznie cały kryształ (rzędu math atomów).

Termiczne wzbudzenie tego typu drgań wymaga bardzo wysokiej temperatury (około 2000 K), więc temperturę pokojową można z tego punktu widzenia uznać za bliską zera bezwzględnego. Własności diamentu sprawiają, że drganie to ma częstość 40 THz (czyli okres 25 fs), a więc można mieć nadzieję na zaobserwowanie kwantowych efektów przed dekoherencją. Wibrację tę można wywołać za pomocą rozpraszania ramanowskiego, w wyniku którego foton „rozpada się” na foton o mniejszej energii i fonon (nazywany fononem optycznym).

Żeby zaobserwować splątanie drgań w dwóch różnych kryształach, trzeba zaprojektować drogę fotonów tak, żeby do newralgicznych miejsc mógł dojść foton, przechodząc zarówno przez jeden, jak i przez drugi kryształ. Osiąga się to standardowo poprzez użycie odpowiedniej liczby płytek półprzepuszczalnych. W tym doświadczeniu bezpośrednio za impulsem wzbudzającym drgania emitowany był sygnał odczytujący, dla którego może zajść zjawisko odwrotne: foton łączy się w fononem i staje się fotonem o większej energii. Ponieważ prawdopodobieństwo zajścia rozpraszania ramanowskiego jest bardzo małe, więc praktycznie za każdym razem najwyżej jeden foton z każdego z ultrakrótkich (pikosekundowych) impulsów bierze udział w oddziaływaniu.

Jak w każdym tego typu eksperymencie, nieklasyczność zjawiska objawia się interferencją. W tym przypadku sytuacji, w której to jedyne wzbudzenie nastąpiło w jednym, z sytuacją, w której nastąpiło ono w drugim krysztale. Przy czym interferencja jest obserwowana tylko wtedy, gdy nie wiadomo, w którym krysztale to nastąpiło. Nie wiadomo, to znaczy, że nikt się o tym nie dowiedział z matką naturą włącznie.

Demonstracja ta [2] jest kolejnym krokiem w kierunku obserwacji zjawisk kwantowych w systemach makroskopowych.

Widzimy dwa kryształy o rozmiarach rzędu 3 mm leżące kilkanaście centymetrów jeden od drugiego i kontemplujemy pojedynczy fonon, który jest w dwóch miejscach naraz.


Źródła
[1]
K.C. Lee, B.J. Sussman i inni, Macroscopic non-classical states and terahertz quantum processing in room-temperature diamond, Nature Photonics 6(2012)41–44.
[2]
K.C. Lee, M.R. Sprague i inni, Entangling macroscopic diamonds at room temperature, Science 334(2011)1253–1256.